《機電一體化導論》課件-第6章 數(shù)控技術(shù)

1第6章數(shù)控技術(shù)2學習目標知識目標：

1.掌握數(shù)控技術(shù)的概念、原理和組成；

2.熟悉數(shù)控機床的分類；

3.熟悉數(shù)控編程過程。能力目標：

1.學會分析，抓住重點問題的能力；

2.總結(jié)概括知識的能力。3教學重、難點學習重點：

1.數(shù)控基本概念和工作原理；

2.數(shù)控機床的組成；

3.數(shù)控編程學習難點：

1.數(shù)控組成；

2.數(shù)控編程。4本章主要內(nèi)容數(shù)控技術(shù)概述

6.1數(shù)控系統(tǒng)的組成

6.2數(shù)控機床的進給和主軸控制系統(tǒng)

6.3數(shù)控機床的編程

6.4小結(jié)課后作業(yè)思考題6.5數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢5§6.1數(shù)控技術(shù)概述數(shù)控機床的基本概念

6.1.1計算機數(shù)控系統(tǒng)的工作原理

6.1.2數(shù)控機床的分類

6.1.36現(xiàn)代信息技術(shù)對傳統(tǒng)制造業(yè)的滲透已經(jīng)達到無以復加的程度。日本馬扎克公司在展覽會上提出了“數(shù)控技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化為主的智能化生產(chǎn)中心將引起工廠經(jīng)營管理的一場大革命”的鮮明口號。最近我國科技部召開了制造業(yè)信息化工程協(xié)調(diào)小組第一次工作會議，會議上強調(diào)了為實現(xiàn)我國從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)化，必須加快推進制造業(yè)信息化工程，并以此作為突破口。我們認為，數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)信息化中最關(guān)鍵技術(shù)之一750年來，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展始終是隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展而不斷地發(fā)展的。近年來，現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展在兩個方面最為突出，一是高速加工，二是網(wǎng)絡(luò)數(shù)控。8自從20世紀中葉數(shù)控技術(shù)創(chuàng)立以來，它給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。現(xiàn)在數(shù)控技術(shù)已成為制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)技術(shù)，現(xiàn)代的CAD/CAM，F(xiàn)MS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上；9數(shù)控技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率必不可少的物質(zhì)手段；是國家的戰(zhàn)略技術(shù)：東芝事件、考克斯報告！基于它的相關(guān)產(chǎn)業(yè)是體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)；專家們預言:二十一世紀機械制造業(yè)的競爭，其實質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競爭。10六代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程1946年世界上第一臺計算機在美國誕生。1952年世界上第一臺數(shù)控機床也在美國誕生，用于三軸鏜銑床的加工。自此，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展緊跟著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，近50年來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段，六個時代的發(fā)展歷程。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的第一個階段叫做NC(數(shù)字邏輯控制)階段，這個階段數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個時代，即電子管時代、晶體管時代和中小規(guī)模集成電路時代。11自1970年小型計算機開始用于數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控技術(shù)進入發(fā)展的第二個階段，叫做CNC（計算機數(shù)字邏輯控制）階段，這是第四代數(shù)控系統(tǒng)；從1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第五代。經(jīng)過幾年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高，自70年代末到80年代初，數(shù)控技術(shù)在全世界范圍內(nèi)得到了大規(guī)模的發(fā)展和應用，實際上到20世紀末至迄今為止，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大多數(shù)都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。從90年代開始，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，個人計算機即PC機的發(fā)展尤為突出，在軟硬件以及外圍器件等各個方面的進展日新月異，計算機所用芯片的集成化程度越來越高，功能越來越強，而成本卻越來越低，原來在大、中型計算機機上才能實現(xiàn)的功能現(xiàn)在在微型機上就可以實現(xiàn)，在美國首先出現(xiàn)了所謂在PC機平臺上開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，即PC數(shù)控系統(tǒng)，也就是我們現(xiàn)在說的第六代數(shù)控系統(tǒng)。還有一種說法就是所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)，這是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的第三個階段，叫做ONC階段，即NC------CNC-------ONC。12目前，中國市場上第五代數(shù)控系統(tǒng)的代表是日本的FANAC-0系統(tǒng)和德國的西門子810系統(tǒng)等等，都是普及型數(shù)控系統(tǒng)，他們的最大特點就是其計算機的專用性，一套數(shù)控系統(tǒng)就是一臺專用的計算機，里面有著十幾塊甚至幾十塊專用芯片，與標準的計算機不兼容，他們之間也互相不兼容。在我國的“65”“75”和“85”期間，我們花了很大的代價，組織過大規(guī)模的數(shù)控技術(shù)引進工作，包括北京引進日本FANAC公司的技術(shù)；南京引進德國西門子公司的技術(shù)；上海引進美國GE公司的技術(shù)等，試圖通過引進、消化、吸收、提高、仿制這樣的過程，爭取做到數(shù)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化。在其他行業(yè)，如家電行業(yè)的電冰箱、彩色電視機、洗衣機等等，都是這樣做的，可以說大都取得了極大的成功，大家有目共睹。但是，對數(shù)控系統(tǒng)來說，引進工作基本上是失敗的，一個事實就是目前我國數(shù)控系統(tǒng)（指普及型以上）97%以上是進口產(chǎn)品。為什么？一個原因就是數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)復雜性比上述家電產(chǎn)品要高得多，系統(tǒng)內(nèi)的部分專用芯片我們花了大量人力、物力進行分析、解剖，也獲得了成功。但是由于微電子技術(shù)發(fā)展太快，我們花幾年時間研制成功幾塊專用芯片，遠遠不能滿足數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的需要。相反，人家的數(shù)控系統(tǒng)也在不斷的更新?lián)Q代，芯片不斷更新，集成度不斷地提高，以致我們的數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)化的計劃一再落空136.1.1數(shù)控機床的基本概念

數(shù)字控制（NumericalControl，NC）簡稱為數(shù)控，是用數(shù)字化信號對機床的運動及加工過程進行控制的一種方法。

數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設(shè)備動作控制的技術(shù)。

數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）是指采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)。

計算機數(shù)控系統(tǒng)（ComputerizedNumericalControlSystem）是指以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。

數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools）是指采用數(shù)字控制技術(shù)，控制刀具（或工件）運動速度和軌跡進行自動加工的一類機床，簡稱數(shù)控機床或NC機床。

返回1415高速加工機床(德國羅德斯)16高速數(shù)控銑床SKXD607017在2001年北京國際機床展（CIMT2001）上，南京四開公司展出了一臺X軸采用直線電機直接驅(qū)動的數(shù)控直線電機車床，并且在現(xiàn)場以1000轉(zhuǎn)/分的速度高速加工一種釬具行業(yè)的非園截面的異型螺紋，其刀具最大的運動加速度達到了4～5個G，最大進給速度超過了150ｍ／min。該機床加工非圓發(fā)動機活塞時的轉(zhuǎn)速可達到2000轉(zhuǎn)/分以上。這臺機床的永磁直線電機運動軸的行程為100毫米，反饋采用了分辯率為1微米的光柵尺，控制系統(tǒng)采用的是南京四開公司的SKY2000-1型數(shù)控系統(tǒng)，運動控制核心為最新的美國摩托羅拉公司的DSP處理器，管理核心為英特爾奔騰III處理器。186.1.2計算機數(shù)控系統(tǒng)的工作原理計算機數(shù)控系統(tǒng)是20世紀70年代發(fā)展起來的新型機床數(shù)控系統(tǒng)，它是以計算機為硬件，在計算機內(nèi)存儲控制程序，讓計算機運行控制程序執(zhí)行對機床運動的數(shù)字控制功能。計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)由程序、輸入/輸出設(shè)備、計算機數(shù)字控制（CNC）裝置、可編程控制單元、主軸控制單元和速度控制單元等組成。數(shù)控系統(tǒng)的核心就是具有數(shù)字信息處理和控制功能的計算機，稱為數(shù)字控制裝置或CNC裝置。19圖6.1CNC系統(tǒng)工作原理框圖返回計算機數(shù)控系統(tǒng)的工作原理框圖如圖6.1所示。206.1.3數(shù)控機床的分類1．按控制系統(tǒng)功能分類（1）點位控制數(shù)控機床

點位控制又稱點到點控制（PointtoPointControl），如圖6.2所示。圖6.2點位控制數(shù)控機床加工示意圖21（2）點位直線控制數(shù)控機床除控制點到點的準確位置外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一條直線，而且也要對移動速度進行控制。這種控制方式如圖6.3所示。圖6.3點位直線控制數(shù)控機床加工示意圖22（3）輪廓控制數(shù)控機床

輪廓控制（Contouringcontrol）又稱為連續(xù)軌跡控制(continuouspathcontrol)，這種控制方式加工如圖6.4所示。圖6.4輪廓控制數(shù)控機床加工示意圖232．按加工方式分類（1）金屬切削類又分為兩類：①普通數(shù)控機床②數(shù)控加工中心。（2）金屬成形類指采用擠、壓、沖、拉等成形工藝的數(shù)控機床。。（3）特種加工類主要有數(shù)控電火花線切割機、數(shù)控電火花成形機、數(shù)控激光與火焰切割機等。（4）測量、繪圖類主要有數(shù)控繪圖機、數(shù)控坐標測量機、數(shù)控對刀儀等。243．按伺服系統(tǒng)的控制方式分類（1）開環(huán)控制數(shù)控機床

開環(huán)控制數(shù)控機床的原理框圖如圖6.5所示。圖6.5開環(huán)控制數(shù)控機床原理框圖25（2）半閉環(huán)控制數(shù)控機床半閉環(huán)控制數(shù)控機床的原理框圖如圖6.6所示。大多數(shù)數(shù)控機床屬于半閉環(huán)控制機床。圖6.6半閉環(huán)控制數(shù)控機床原理框圖26（3）閉環(huán)控制數(shù)控機床

閉環(huán)控制數(shù)控機床的原理框圖如圖6.7所示。因為將工作臺運動也納入反饋系統(tǒng)，稱之為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖6.7閉環(huán)控制數(shù)控機床原理框圖274．按所用數(shù)控系統(tǒng)的檔次分類按所用數(shù)控系統(tǒng)的檔次可將數(shù)控機床分為低、中、高檔三類。中、高檔數(shù)控機床一般稱為全功能數(shù)控或標準型數(shù)控。這種分類得到的低、中、高檔是相對的。返回28§6.2數(shù)控系統(tǒng)的組成數(shù)控機床的組成

計算機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

計算機數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)

6.2.16.2.26.2.3296.2.1數(shù)控機床的組成

圖6.8為數(shù)控機床的組成框圖。圖6.8數(shù)控機床的基本組成框圖30

（1）加工程序：是根據(jù)加工零件的要求，按一定的規(guī)則編制定的工藝要求、操作參數(shù)和控制程序等。（2）輸入裝置：它是數(shù)控機床的信息輸入通道，加工零件的程序和各種參數(shù)、數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送進數(shù)控裝置。（3）數(shù)控裝置：是由中央處理單元（CPU）、存儲器、總線和相應的軟件構(gòu)成的專用計算機，它接受加工程序等信息后，經(jīng)過各種計算，再給各坐標伺服系統(tǒng)分配速度、位移等指令。它是數(shù)控機床的核心部分，整個數(shù)控機床功能的強弱取決于此部分。31

（4）伺服系統(tǒng)：伺服系統(tǒng)接受分配信號經(jīng)處理驅(qū)動伺服電機，帶動機床的執(zhí)行部件運動。（5）輔助控制裝置：數(shù)控機床除點位、軌跡控制采用數(shù)字控制外，其他一些強弱電轉(zhuǎn)換控制的輔助裝置，如斷路器、熱動開關(guān)、中間繼電器等；此外還有保護人身安全和控制環(huán)境污染的輔助設(shè)備等。32

（6）反饋系統(tǒng)：通過檢測元件和相應電路，將伺服系統(tǒng)或機床的工作狀態(tài)等信息時時反饋到計算機控制系統(tǒng)（數(shù)控裝置），構(gòu)成閉環(huán)控制，提高加工精度和準確度等。（7）機床：機床是數(shù)控機床的機械部分。返回336.2.2計算機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)1．數(shù)控裝置硬件分類

CNC系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分主要由微處理器、存儲器、位置控制、輸入/輸出接口、可編程控制器、圖形控制、電源等模塊組成。從CNC系統(tǒng)使用的CPU結(jié)構(gòu)來分，其硬件結(jié)構(gòu)可分為單CPU和多CPU結(jié)構(gòu)兩大類。342．單CPU式數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖6.9所示。圖6.9單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置返回356.2.3計算機數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)1．數(shù)控裝置軟件的概念計算機裝置的軟件是為了實現(xiàn)CNC系統(tǒng)的各項功能而編制的專用軟件，稱為系統(tǒng)軟件。2．數(shù)控裝置軟件的組成系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件兩部分組成，如圖6.10所示。36圖6.10CNC裝置的軟件組成373．數(shù)控裝置軟件的結(jié)構(gòu)

CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)取決于系統(tǒng)采用的中斷結(jié)構(gòu)，一般分為中斷型結(jié)構(gòu)和前后臺型結(jié)構(gòu)兩種。（1）中斷型結(jié)構(gòu)，如圖6.11所示。中斷程序的優(yōu)先級別有所不同，級別高的中斷系統(tǒng)可以打斷級別的的中斷程序。

38圖6.11中斷軟件結(jié)構(gòu)39

（2）前后臺型結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序是指與機床動作直接相關(guān)的實時中斷服務(wù)程序,可實現(xiàn)插補、伺服、位置控制和機床相關(guān)監(jiān)控等作用。后臺程序是完成管理功能和輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理插補準備工作等非實時性任務(wù)的一個循環(huán)運行程序。40圖6.12前后臺型軟件結(jié)構(gòu)返回41§6.3數(shù)控機床的進給和主軸控制系統(tǒng)

數(shù)控機床的進給控制

電機的控制方式

6.3.16.3.2數(shù)控機床的主軸控制

6.3.3426.3.1數(shù)控機床的進給控制1．進給控制的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的進給控制由進給伺服系統(tǒng)完成，它主要由伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與機床機械傳動機構(gòu)兩大部分組成。2．機床進給閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機床進給閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6.13所示。43

圖中的控制部件主要是位置調(diào)節(jié)器和速度控制單元。圖6.13進給位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖443．機床進給伺服驅(qū)動的控制方式數(shù)控機床進給伺服驅(qū)動的控制可以采用開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制三種方式，分別示于圖6.14，圖6.15和圖6.16。圖6.14進給伺服驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖45圖6.15進給伺服驅(qū)動的半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖6.16進給伺服驅(qū)動的全閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖返回466.3.2電機的控制方式1．數(shù)控機床常用電機的類型常用的電動機有步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。2．步進電機的驅(qū)動控制步進電動機的驅(qū)動控制電路通常由環(huán)形分配器和功率放大器組成，工作原理如下圖：47圖6.18步進式伺服系統(tǒng)原理框圖483．直流伺服電機的速度控制直流伺服電動機的速度控制方法常用脈沖寬度調(diào)制（PWM）放大電路。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速的系統(tǒng)如圖6.19所示。

圖6.19速度、電流雙閉環(huán)PWM直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖494．交流電機的速度控制交流電動機速度控制可分為標量控制法和矢量控制法，前者為開環(huán)控制，后者為閉環(huán)控制。簡單調(diào)速可使用標量控制法；要求較高的系統(tǒng)使用矢量控制法。它們都是通過改變電動機的供電頻率實現(xiàn)的。返回506.3.3數(shù)控機床的主軸控制1．主軸控制的含義數(shù)控機床的主軸控制有兩個方面的含義：一方面是主軸的驅(qū)動控制；另一方面是主軸的定向控制。2．交流主軸電機及其驅(qū)動控制交流主軸電機均采用感應電機的結(jié)構(gòu)形式，對其進行矢量控制就能滿足數(shù)控機床主軸驅(qū)動的要求。513．直流主軸電機及其驅(qū)動控制直流主軸電機和普通直流電機一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。轉(zhuǎn)子由電樞繞組和換向器組成。而定子由主磁極和換向極組成。直流主軸電機控制單元的框圖如圖6.21所示。圖6.21直流主軸電機控制單元結(jié)構(gòu)524．主軸的其他控制對主軸除了要求連續(xù)調(diào)速外，還有主軸定向準停功能、主軸旋轉(zhuǎn)與坐標軸進給的同步及恒線速切削等控制要求。圖6.22磁性傳感器主軸定向控制示意圖53

主軸旋轉(zhuǎn)與坐標軸進給的同步控制是采用脈沖編碼器作為主軸的位置傳感器，并將其裝在主軸上，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，發(fā)出位置脈沖。這些脈沖送給CNC裝置作為坐標軸進給，使進給量與主軸轉(zhuǎn)動保持所要求的比率。從而實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與坐標軸進給的同步。

恒線速切削控制是在進行端面切削時，為保證加工端面的粗糙度，而要求工件與刀尖接觸點的線速度為恒值。

返回54§6.4數(shù)控機床的編程數(shù)控機床程序編制的概念程序編制

自動編程6.4.16.4.26.4.3556.4.1數(shù)控機床編程的概念數(shù)控程序的編制是指利用數(shù)控機床從零件圖分析到制成控制介質(zhì)的全部過程。手工編程（ManualProgramming）是指從零件圖樣分析、工藝處理、數(shù)值計算、編寫程序單、程序輸入直到程序校驗等各個階段均由人工完成的編程方法。自動編程(AutomaticProgramming)是指利用計算機專用軟件完成數(shù)控加工程序編制中的大部分或全部工作的編程方法。返回566.4.2數(shù)控機床編程概述1．數(shù)控編程的主要內(nèi)容包括：分析零件圖樣，確定加工工藝過程；確定走刀軌跡，計算刀位數(shù)據(jù)；編寫零件加工程序；制作控制介質(zhì)；校對程序及首件試加工。2．數(shù)控編程的過程及步驟

數(shù)控程序編制的過程如圖6.23所示。圖6.23數(shù)控編程過程57（1）工藝分析：全面分析零件圖，確定零件的工藝參數(shù)。（2）數(shù)學處理：為了獲取編程所需數(shù)據(jù)。（3）編寫零件加工程序：根據(jù)計算數(shù)據(jù)和數(shù)控指令等編寫零件加工程序。（4）程序輸入：程序編好后，將加工信息輸入數(shù)控裝置。（5）程序校驗和零件試切：編制好的程序必須經(jīng)過校驗和